鄧義龍

(武漢市勘察設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430022)

0 引 言

地震液化是由于地震震動(dòng)或其他動(dòng)荷載導(dǎo)致土層強(qiáng)度和剛度降低甚至喪失的現(xiàn)象，在飽和粉細(xì)砂和粉土中尤為明顯[1，2]。土層的地震液化在世界范圍內(nèi)都是一個(gè)嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題，引起巨大破壞，常見(jiàn)液化表現(xiàn)包括“砂沸”、地表沉降、建筑物傾斜或傾覆、陡坡溜滑、土層側(cè)向擠出等。目前學(xué)界對(duì)于地震液化的研究還處于初步階段，這與天然地質(zhì)體的復(fù)雜程度有關(guān)，也與計(jì)算方法及實(shí)際地震的重復(fù)驗(yàn)證性差有關(guān)[3]。

盡管如此，對(duì)砂土的液化勢(shì)評(píng)價(jià)方法可以歸結(jié)為兩大類(lèi)。其一為確定性計(jì)算方法，Seed等[4]利用定量方法推導(dǎo)出目前最為公認(rèn)的液化評(píng)價(jià)公式，另一種方法是概率計(jì)算方法，Juang[5]和Moss[2]等利用統(tǒng)計(jì)學(xué)理論建立了大量的估算液化的概率模型。

本文基于上述兩種計(jì)算方法，依托于某跨長(zhǎng)江公路連接工程的靜力觸探數(shù)據(jù)進(jìn)行砂土液化判別，分析兩種方法的計(jì)算適用性和精確度。

1 基于孔壓靜力觸探的砂土液化基本原理

1.1 確定性計(jì)算方法

確定性方法評(píng)價(jià)砂土液化的主要思想是比較給定深度處的土體的循環(huán)抗力比(CRR)與地震誘發(fā)的循環(huán)應(yīng)力比(CSR)。在地震震級(jí)為7.5時(shí)，如公式(1)所示：

(1)

式中：amax為地震峰值水平加速度；g為重力加速度；σv0為初始垂直總應(yīng)力；σ′v0為初始垂直有效應(yīng)力；rd為應(yīng)力折減系數(shù)；MFS為震級(jí)比例因子。

循環(huán)抗力比CRR采用孔壓靜力觸探數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，如公式(2)、公式(3)所示。

CRRc=0.833[(qc1,N)cs/1000]+0.05 (qc1,N)cs<50

(2)

CRRc=93[(qc1,N)cs/1000]3+0.08 50≤(qc1,N)cs<160

(3)

式中：(qc1,N)cs為針對(duì)細(xì)粒含量的標(biāo)準(zhǔn)錐尖阻力修正。

因此，聯(lián)合公式(1)～公式(3)，按公式(4)計(jì)算安全系數(shù)Fs進(jìn)行液化勢(shì)判別：

Fs=CRR/CSR

(4)

1.2 概率計(jì)算方法

循環(huán)應(yīng)力比CSR的計(jì)算仍采用公式(1)，循環(huán)抗力比CRR和液化概率分別按公式(5)和公式(6)計(jì)算：

(5)

(6)

式中：Φ(PL)為累積正態(tài)分布；Φ-1(PL)為逆累積正態(tài)分布。

qc1=Cqqc

(7)

(8)

式中：Cq為錐尖歸一化系數(shù)；c為歸一化指數(shù)，如公式(9)所示。

(9)

其中：

(10)

2 工程概況

某跨長(zhǎng)江公路連接工程起于洪湖市烏林鎮(zhèn)，起點(diǎn)樁號(hào)為K20+700，止于赤壁市滄湖開(kāi)發(fā)區(qū)，終點(diǎn)里程為K31+900，擬訂方案線(xiàn)路全長(zhǎng)13.263 km，其中長(zhǎng)江大橋總長(zhǎng)5.572 km(主橋長(zhǎng)1 380 m)。

圖1 場(chǎng)區(qū)地質(zhì)縱斷面

研究區(qū)段的上覆土層主要為①5粉質(zhì)黏土、②2粉細(xì)砂、②3粉細(xì)砂、②4粉細(xì)砂、②5粉細(xì)砂。各砂土層分布穩(wěn)定，厚度均勻。在顆粒組成上，各粉細(xì)砂層的顆粒大小含量差異較大，對(duì)于大于0.075 mm且小于0.25 mm的顆粒含量平均值，②2層粉細(xì)砂的最小，為60%，②5層粉細(xì)砂的最大，為80.8%，②3層粉細(xì)砂與②4層粉細(xì)砂的相近，分別為72.6%、77.1%。②2層粉細(xì)砂與②3層粉細(xì)砂的黏粒含量平均值相近，分別為3.8%、4.6%，②4層的黏粒含量平均值最大，為16.3%，②5層的黏粒含量平均值最小，為1.5%。

3 測(cè)試成果分析

圖2～圖4分別為孔壓靜力觸探實(shí)測(cè)錐尖阻力qc、側(cè)摩阻力fs、孔隙水壓力u2隨深度變化曲線(xiàn)。

圖2 錐尖阻力隨深度變化曲線(xiàn)

圖3 側(cè)摩阻力隨深度變化曲線(xiàn)

圖4 孔隙水壓力隨深度變化曲線(xiàn)

在如圖1所示的鉆探揭示地層條件下，在孔壓靜力觸探試驗(yàn)位置處地層分別為：0～2.00 m為①5層粉質(zhì)黏土、2.0～5.50 m為②2層粉細(xì)砂、5.50～9.50 m為②3層粉細(xì)砂、9.50～15.00 m為②4層粉細(xì)砂、15.00～22.00 m為②5層粉細(xì)砂。從圖2、圖3中可以看出，錐尖阻力與側(cè)摩阻力能夠準(zhǔn)確地反映各地層的力學(xué)特性，不同土層的錐尖阻力曲線(xiàn)呈現(xiàn)不同的斜率和數(shù)值大小變化，連續(xù)測(cè)試的數(shù)據(jù)能夠?qū)Φ貙悠鸬骄_的劃分，各土層的平均錐尖阻力和平均側(cè)摩阻力見(jiàn)表1。從圖4中可以看出，各砂層的孔隙水壓力與靜水壓力相近，在10.0～13.00 m范圍內(nèi)波動(dòng)較大，這與該段的黏粒含量較大有關(guān)，總體上表明各砂層的含黏粒較少，透水性好。

表1 各層錐尖阻力與側(cè)摩阻力平均值

圖5、圖6分別為安全系數(shù)Fs與液化概率PL隨深度的變化。

圖5 安全系數(shù)隨深度變化曲線(xiàn)

圖6 液化概率隨深度變化曲線(xiàn)

從圖中可以看出，無(wú)論是利用何種判別方式，把①5層粉質(zhì)黏土判定為不液化土層，都與事實(shí)是相符合的，同時(shí)也表明，兩種判別方式不僅適用于砂土也適用于一般的土層判別。從圖5中可以看出，②2層粉細(xì)砂其安全系數(shù)皆小于1.0，且數(shù)值起伏波動(dòng)較小，而②3層粉細(xì)砂、②5層粉細(xì)砂的黏粒含量與②2層粉細(xì)砂相近，但顆粒大小組成不同，②3層粉細(xì)砂、②5層粉細(xì)砂的安全系數(shù)都呈現(xiàn)不同程度的起伏波動(dòng)，安全系數(shù)基本小于1.00，少部分介于1.00和1.25之間，而②3層粉細(xì)砂與②5層粉細(xì)砂的黏粒含量相近，但各砂層顆粒組成相差較大，小于0.075 mm的顆粒含量平均值按②2層粉細(xì)砂、②3層粉細(xì)砂、②5層粉細(xì)砂依次減小，②3層粉細(xì)砂比②5層粉細(xì)砂的安全系數(shù)離散性更大。由此表明，砂土的顆粒成分組成對(duì)砂土的液化勢(shì)影響顯著，小于0.075 mm的顆粒含量越大，其具有液化的可能性也越大。另一方面，對(duì)比②3層粉細(xì)砂、②4層粉細(xì)砂可知，兩者的顆粒成分組成相近，而黏粒含量前者明顯小于后者，導(dǎo)致后者的安全系數(shù)曲線(xiàn)波動(dòng)更大，F(xiàn)s最大值為3.51，最小值為0.28，因此黏粒含量也是影響砂土液化勢(shì)的重要因素，黏粒含量越低，液化可能性越大。類(lèi)似地，從圖6中也可以得到相似結(jié)果。

對(duì)比圖5和圖6可知，兩種方法對(duì)②2層粉細(xì)砂的判別基本一致，而對(duì)于②5層粉細(xì)砂，采用確定性計(jì)算法，安全系數(shù)Fs基本小于1.0，判別結(jié)果為敏感度高，而采用概率計(jì)算方法，則在(0.65，0.85)，(0.65，0.85)區(qū)間都有，判別結(jié)果分別為可能液化和液化，因此，采用概率計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果更為精細(xì)。對(duì)比②4層粉細(xì)砂、②5層粉細(xì)砂，兩者的顆粒成分組成相近，而黏粒含量前者明顯大于后者，概率計(jì)算方法對(duì)黏粒含量更為敏感。

進(jìn)一步地對(duì)比兩種計(jì)算方法的精確度，將概率計(jì)算方法構(gòu)建為傳統(tǒng)的概率曲線(xiàn)等高線(xiàn)，并將確定性計(jì)算的安全系數(shù)Fs=1.0等高線(xiàn)也顯示在圖中，如圖7所示。

圖7 不同方法計(jì)算結(jié)果對(duì)比

從圖7中可以看出，安全系數(shù)Fs=1.0等高線(xiàn)與液化概率PL=0.3相近，安全系數(shù)對(duì)于Fs的判定結(jié)果更為保守。

4 結(jié) 論

本文依托某跨長(zhǎng)江公路連接工程的靜力觸探數(shù)據(jù)進(jìn)行砂土液化判別，分析兩種方法的計(jì)算適用性和精確度，得出以下結(jié)論：

(1)采用孔壓靜力觸探測(cè)試獲得的錐尖阻力與側(cè)摩阻力能夠準(zhǔn)確地反映各地層的力學(xué)特性，連續(xù)測(cè)試的數(shù)據(jù)為兩種液化勢(shì)判別方法提供了良好的計(jì)算基礎(chǔ)。

(2)兩種計(jì)算方法皆表明，砂土的顆粒成分組成和黏粒含量對(duì)砂土的液化勢(shì)影響顯著，細(xì)顆粒含量越大，黏粒含量越少，其具有液化的可能性也越大。

(3)兩種判別方式不僅適用于砂土，也適用于一般的土層判別，相比于確定性計(jì)算方法，概率計(jì)算方法對(duì)黏粒含量更為敏感，且計(jì)算結(jié)果更為精細(xì)，前者計(jì)算結(jié)果更為保守。